重型柴油機WHTC循環低溫冷起動排放特性研究

廖清睿，王鳳濱，車金濤，覃慶孔

摘要： 基于滿足國Ⅵb階段排放標準的柴油發動機，在配備低溫環境倉的發動機臺架上開展WHTC循環排放測試。設置多個環境溫度，對比CO，HC，NOx，PN及PM的比排放結果。分析環境溫度、中冷后溫度、排氣溫度與排氣污染物的關系以及WHTC循環3個階段不同環境溫度下CO，HC，NOx和PN排放特性的差異。結果發現：環境溫度降低，NOx，CO和HC比排放值逐漸增加，PN比排放值總體減少，PM比排放值先減少后升高；環境溫度分別為-10 ℃和-15 ℃，且尿素凍結的狀態下，NOx比排放是尿素未凍結狀態的1.2倍和3.3倍；階段1、階段2工況下，NOx排放控制主要以DOC和EGR為主，階段3的大扭矩、大負荷工況則更依賴SCR；CO和HC比排放結果中環境溫度引起的差異主要發生于階段1工況。環境溫度-15 ℃和-20 ℃條件下，階段1至階段3的PN平均濃度均低于100 個/cm3。

關鍵詞： 重型柴油機；冷起動；WHTC；排放測量

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.02.003

中圖分類號： U467.2文獻標志碼： B文章編號： 1001-２２２２（２０24）０2-００19-０7

溫帶地區四季分明，冬季溫度多數處于0 ℃以下。我國大部分國土處于溫帶地區，且世界近一半人口生活在溫帶范圍內。同時，重型柴油車的排放污染在所有機動車中占比最大。因此，冬季低溫環境下重型柴油車運行所產生的排放污染不容忽視。

早在1989年的零下工程研討會上，R. E. Larson的研究成果就已表明車輛在低溫環境下的排放控制效果會大打折扣［1］，-7 ℃時的排放水平會是24 ℃時的3倍至4倍，此種條件下噴油相對過濃，且催化器的轉化效率會顯著降低，CO排放嚴重增加。近年來，低溫環境對機動車排放的影響研究也在不斷擴展。V. N. Matthaios等研究了英國各區域低溫天氣（5 ℃以下）和常溫天氣的車流的NO2排放差異［2］，發現低溫天氣下車流產生的NO2排放比常溫高64.5%。王猛、解難等基于轉鼓測試對直噴汽油車的顆粒物排放展開研究，發現-7 ℃環境溫度下，PN排放增加4倍［3］，-17 ℃環境溫度下顆粒物的數量、體積、表面積濃度均顯著增加［4］。孫遠濤、肖建華基于發動機臺架測試對汽油機的排放規律展開研究，發現催化器前HC和CO排放增加，NO排放降低，但催化器后上述污染物排放都有所增加［5-6］。除傳統汽油車外，也有學者對混動汽車低溫環境顆粒物質量濃度、粒徑分布開展研究［7］。

柴油車試驗研究方面，郭勇、譚丕強等在實際道路上研究0 ℃左右環境下柴油車輛的排放規律，發現相對常溫而言，CO和NOx增加較為顯著，而PN增加不明顯［8-9］。N. Oliver［10］著重研究了輕型柴油車冷起動的排放情況，發現發動機在低負載下，低溫使得燃燒穩定性差，從而導致排放增加，且低溫使得EGR低于目標值，也會導致NOx增加。李曉明［11］通過FLUENT軟件模擬柴油機在-40 ℃低溫環境條件下的運行規律，發現低溫條件下缸內燃燒的混合氣中心溫度更低，這是發動機CO和PN原排增加的成因。陳龍等［12］基于柴油機臺架在低溫環境下運行WHSC循環，發現尿素凍結會嚴重影響NOx的排放水平。

為了有效降低低溫環境下的污染物排放，國內外學者開展了大量關于提高催化器低溫性能的試驗和研究，其中，主要以設計快速升溫機構和研發高效的低溫反應材料為主［13-16］。H. Y. Chen等［13］研究發現，Pd-BEA結構催化器減排性能、持續時間、低溫存儲性能、高溫釋放性能及抗硫化性能最佳。任學成等［14］對冷起動催化器DCSC開展研究，DCSC相比LNT而言，可以一直處于稀燃狀態并具有較好的低溫NOx捕集效果，且無需周期性加濃燃油。L. S. Duan等［16］研究發現，在DOC前布置電加熱器能明顯縮短WHTC循環中排溫達到200 ℃所需要的時間。

綜上，雖然目前有較多關于低溫環境機動車排放的研究報道，但有關柴油機WHTC循環低溫排放研究的文獻較少，且尚未有關于低溫環境下尿素凍結前后排放差異的對比，環境溫度條件設置也不夠廣泛。我國重型車標準制定工作組已著手開展下一階段標準的制定研究，其中，低溫環境條件的設置范圍將會影響臺架測試、轉鼓測試、PEMS測試的排放結果范圍，需要足夠的數據支撐作為劃定依據。

本研究基于一臺滿足國Ⅵb階段排放標準的柴油發動機，在配備低溫環境倉的發動機臺架上開展WHTC循環排放測試，設置多個環境溫度，對比CO，HC，NOx，PN及PM的比排放結果，將WHTC循環劃設為3個階段，分析環境溫度、中冷后溫度、排氣溫度與排氣污染物的相關性以及各階段不同環境溫度下的排放特性差異。

1試驗方案

根據本研究試驗測試需求，使用發動機高低溫環境倉模擬并控制低溫環境，使用表1所示設備測量發動機運行參數、污染物排放濃度等。發動機尾氣測量點位于后處理系統之后，全段排氣管路采取必要的保溫措施。具體布置方案如圖1所示。

目前我國執行國Ⅵb階段重型車排放標準，為確保試驗條件的先進性，選取滿足國Ⅵb排放標準且在市場上應用較為廣泛的發動機作為研究對象，該樣機與后處理系統的基本參數如表2所示。

為獲取更全面的測試數據以評估低溫冷起動工況對排放特性的影響，將環境溫度分別設置為25，10，0，-5，-10，-15，-20 ℃，逐一運行WHTC冷起動循環試驗。上述7個環境溫度條件涵蓋了常溫、低溫、零下結冰、尿素凍結等情形。發動機、后處理系統及其附件在達到設定溫度的環境倉內靜置至少12 h。在-10，-15，-20 ℃環境溫度條件下運行試驗時，選擇手動拖轉起機，點火運行正常后正式開始試驗，拖轉時間不超過30 s。其中，-10，-15，-20 ℃環境溫度條件下尿素發生凍結，影響SCR正常工作，NOx排放受其影響較大。為研究尿素凍結前低溫環境分別對重型發動機NOx排放的影響，在-10，-15，-20 ℃環境溫度條件下額外進行一組試驗，即在靜置階段尿素罐置于環境倉外，在試驗前10 min再將尿素罐連接至后處理系統。基于測取的發動機運行參數和排放污染物濃度數值，通過國Ⅵ重型車排放標準中的排放計算方法得到比排放數值，開展規律性分析。基于環境溫度、中冷后溫度、排氣溫度數據分析低溫環境下重型柴油發動機排氣污染物的排放特性。

2排放試驗結果

圖2示出各環境溫度下的NOx比排放結果。其中，在-10，-15，-20 ℃的環境溫度條件下分別測量了尿素凍結和未凍結狀態下的NOx排放。從總體趨勢來看，隨著環境溫度的逐漸降低，NOx比排放逐漸增大。在25 ℃的環境溫度下，NOx比排放為668.1 mg/（kW·h）；在環境溫度為-20 ℃，且尿素未凍結的狀態下，NOx比排放為1 182.9 mg/（kW·h），尿素凍結狀態下則為4 497.6 mg/（kW·h），是未凍結狀態的3.8倍。-10，-15 ℃環境溫度下，尿素凍結狀態NOx比排放分別是未凍結狀態的1.2倍和3.3倍。由此可見，環境溫度越低，尿素凍結對NOx排放的影響則越大。這是因為環境溫度越低，尿素罐中的尿素水溶液凍結速度越快，尿素罐中心溫度越低，尿素罐加熱模塊的解凍時間越長，可能一個WHTC循環結束后都無法完成解凍。

圖3和圖4分別示出各環境溫度下的CO和HC比排放。可以發現，隨著環境溫度的降低，CO和HC比排放逐漸升高，其曲線近似二次函數，溫度越低，增幅越大。低溫環境一方面使得缸壁溫度降低，油氣混合物燃燒不完全，容易生成HC和CO；另一方面使得DOC反應效率下降，導致HC和CO反應量減少。與國Ⅵ限值對比發現，即使是-20 ℃環境溫度條件，CO和HC比排放分別未超過加權限值4 000 mg/（kW·h）和160 mg/（kW·h）。

圖5示出各環境溫度下PN比排放。從圖中可知，環境溫度從25 ℃降至0 ℃，PN比排放先減小后增大，在4×1010～5.5×1010 個/（kW·h）范圍內。環境溫度為0 ℃以下，PN比排放隨著溫度降低而減小；環境溫度為-20 ℃時，PN比排放為2.49×109 個/（kW·h）。盡管試驗室已采取了保溫措施，但環境溫度降低時，依然會對排氣管壁面和后處理系統表面溫度產生影響，使得顆粒物在管路中容易發生聚合現象，進而使得PN降低。

各環境溫度條件下PM比排放結果如圖6所示。與圖5的PN比排放結果對比后發現，其與環境溫度的關系剛好與PN相反。環境溫度從25 ℃降至-5 ℃，PM比排放先略微增加后減小。環境溫度低于0 ℃時，環境溫度越低，PM比排放值越大。分析認為，環境溫度在-5 ℃以上時，由于EGR率減小，PM總量有所下降；但當環境溫度低于-5 ℃時，由于缸壁溫度越來越低，缸內油氣混合物燃燒不完全的情況可能愈發嚴重，除了HC和CO容易生成之外，也會產生更多炭煙，PM總量隨之急劇上升。

3排放分析

3.1循環階段劃分

環境溫度、中冷溫度和排氣溫度一方面受到熱量累積的影響，另一方面受到發動機工況變化的影響，于是將WHTC循環分成3個階段展開對比分析。圖7示出WHTC循環3個階段劃分的示意圖。根據WHTC循環的3種特征，以怠速為界，分成3個階段。階段1為0～710 s，該階段內扭矩波動大，怠速較多，與車輛實際行駛當中的市區行駛工況較為接近。階段2為711～1 150 s，該階段內扭矩和轉速波動相對較少，怠速僅有1處，與市郊或者快速路的行駛工況較為接近。階段3為1 151～1 800 s，1 500 s前扭矩、轉速波動相對較大，與在高速路的加速過程較相似；1 500 s后扭矩、轉速波動平緩，與在高速路穩定行駛較相似。

計算3個階段的轉速和扭矩均值，結果如圖8所示。總體而言，隨著時間推移，3個階段的轉速、扭矩均值依序增加。階段1變化至階段2，轉速和扭矩分別增加了3.13%和5.69%；階段2變化至階段3，轉速和扭矩分別增加了18.49%和145.27%。

3.2排放試驗溫度變化分析

試驗中環境溫度的差異會對中冷出口溫度和排氣溫度產生影響，發動機缸內燃燒情況會發生變化，后處理的凈化效率也會因此而改變。

盡管試驗中已通過環境倉控制系統設置環境溫度恒定，但由于發動機在運行過程中會產生大量的熱量，可能會對環境溫度產生一定影響。整理數據并繪制WHTC循環3個階段平均環境溫度折線圖（見圖9），發現階段1至階段2，環境溫度最多升高0.8 ℃，出現在25 ℃的環境條件下；階段2至階段3，環境溫度最多升高4.9 ℃，出現在0 ℃的環境條件下。0 ℃以下條件的溫升總體較小，低于0.6 ℃。總體而言，試驗中的環境溫度相對比較恒定，發動機自身產生的熱量不會對環境溫度產生過大影響。

發動機進氣溫度影響發動機缸內燃燒情況，最終對排放性能產生影響。進氣溫度降低后，噴射過程中液態燃油量增加，放熱峰值延遲，速率加快，缸壓下降，最終使得原始排氣中的NOx和炭煙減少，HC和CO增加［17］。

各環境溫度條件下WHTC循環3個階段的中冷出口平均溫度如圖10所示。隨著發動機轉速、扭矩的增加，中冷出口溫度不斷升高。環境溫度越低，工況變化導致的中冷出口溫度升高越多。階段1至階段2，環境溫度0 ℃及以上時，中冷出口溫度溫升最大為4.0 ℃，環境溫度0 ℃以下時則為8.8 ℃；階段2至階段3，環境溫度0 ℃及以上時，中冷出口溫度溫升最大為5.1 ℃，環境溫度0 ℃以下時則為7.2 ℃。環境溫度越低，空氣密度越大，則缸內吸入的空氣越多，在一定程度上反而會增大燃燒的放熱量，增加排氣的總能量，增壓器壓氣機出口溫度增加，使得中冷后溫度上升更快。

環境溫度影響發動機進氣、燃燒等一系列過程，并且影響排氣系統的散熱速率。后處理系統入口的排氣溫度與后處理各單元的凈化效率息息相關。圖11示出WHTC循環3個階段各環境溫度下的平均排氣溫度。環境溫度0 ℃及以上時，階段1至階段2和階段2至階段3的溫升均在41.3～45.8 ℃的范圍內，相對平均；環境溫度低于0 ℃時，階段1至階段2的溫升在51.2～54.2 ℃，溫升較快，階段2至階段3的溫升在34.7～37.1 ℃，溫升放緩。

分析認為，階段2工況且環境溫度0 ℃以下時，相對其他溫度條件下的燃燒放熱量增加更多，使得排氣溫升較多；階段3工況較為穩定，轉速和扭矩適中，EGR比例增加，由于廢氣中水和CO2的比熱容較大，使得環境溫度0 ℃以下時的排氣溫度升高減緩。

圖12示出各環境溫度下WHTC循環前500 s排氣溫度。除了因環境溫度影響導致的排氣溫度固有的差異之外，觀察虛線框中所示的部分發現，環境溫度越低，轉速或扭矩降低所導致的排氣溫度降低越快。此外，隨著時間推移，各環境溫度下的排氣溫度偏差逐漸減小。

3.3低溫環境污染物排放規律分析

圖13示出各環境溫度下WHTC循環3個階段的NOx平均濃度的變化。總體而言，從階段1至階段2，NOx平均濃度整體下降；階段2至階段3，除了-15 ℃和-20 ℃尿素凍結之外的其他狀態下NOx平均濃度基本保持一致。在階段1中，環境溫度越低，NOx平均濃度越高。WHTC循環前500 s排氣溫度的差異決定了后處理整體轉化效率的高低，溫度越高，轉化效率越高。在階段2中，除了-20 ℃環境溫度條件下NOx平均濃度接近50×10-6外，其余條件下NOx平均濃度接近0。階段2中各種環境溫度條件下排氣溫度接近，后處理轉化效率基本一致，且轉速、扭矩適中，怠速減少，EGR率升高，NOx生成量不高。-20 ℃環境溫度條件下排氣溫度最低，使其NOx平均濃度比其他環境溫度條件下的更高。在階段3中，轉速、扭矩顯著上升，NOx生成量增加，由于-15 ℃和-20 ℃環境溫度下尿素自然凍結，SCR無法正常工作，故NOx平均濃度急劇增加，分別達到264.3×10-6和364.3×10-6。-15 ℃和-20 ℃環境溫度下保持尿素正常噴射時NOx平均濃度則與其他環境溫度條件下的基本一致。由此可見，階段3的大扭矩、大負荷工況更依賴SCR控制NOx排放；階段1、階段2工況下NOx排放與SCR的工作狀態關系不大，DOC和EGR起主要作用，該工況下NOx排放與整體排氣溫度更相關。

圖14示出各環境溫度下WHTC循環3個階段CO平均濃度的變化。由圖可知，階段1中，環境溫度越高，CO平均濃度越低，規律性較強。階段2和階段3中，各環境溫度下的CO平均濃度基本一致，均接近0。由此可見，環境溫度所引起的CO排放差異主要發生于階段1工況。該工況排氣溫度和環境溫度梯度明顯，且排氣溫度均值不超過200 ℃，而CO的生成與在DOC內的反應分別受環境溫度和排氣溫度的影響較大。階段2和階段3中，排氣溫度均值超過200 ℃，DOC效率較高，CO反應充分。

圖15示出各環境溫度條件下WHTC循環3個階段HC平均濃度的變化。階段1工況下，環境溫度越高，HC平均濃度越低，規律性較強。階段2和階段3工況下，所有環境溫度條件下HC平均濃度都低于2×10-6。總體來看，與CO平均濃度的變化相似，階段1總體排氣溫度低，HC的生成和氧化反應受排氣溫度和環境溫度影響較大；階段2和階段3排氣溫度超過200 ℃，DOC內的還原反應相對充分，HC排放降低。

圖16示出各環境溫度條件下WHTC循環3個階段PN平均濃度的變化。總體而言，環境溫度越高，PN平均濃度越高。環境溫度-10～25 ℃條件下，階段1至階段3的PN平均濃度總體呈遞增趨勢。環境溫度-15 ℃和-20 ℃條件下，階段1至階段3的PN平均濃度均低于100 個/cm3，該條件下，因尿素凍結導致噴射異常，SCR不會形成多余的尿素結晶。此外，由于排氣溫度相對較低，顆粒物易發生聚合效應，使得PN降低。

4結論

a） 環境溫度降低，NOx，CO和HC的比排放值逐漸增加，PN比排放值總體減少，PM比排放值先減少后升高；-10 ℃和-15 ℃環境溫度下，若尿素凍結，NOx比排放則是尿素未凍結狀態的1.2倍和3.3倍；

b） 根據WHTC循環的3種特征，以循環第710 s和第1 150 s的怠速工況為界分成3個階段，3個階段的環境溫度基本恒定；從階段1至階段3，低溫環境下的中冷出口溫度升高較快；從階段1至階段2，低溫環境下的排氣溫度升高較快；從階段2至階段3，低溫環境下的排氣溫度升高減緩；WHTC循環前500 s，環境溫度越低，轉速或扭矩降低所導致的排氣溫度降低越快；

c） 階段3的大扭矩、大負荷工況更依賴SCR控制NOx排放；階段1、階段2工況下主要由DOC和EGR控制NOx排放，該工況下NOx排放與整體排氣溫度更相關；CO和HC比排放結果中環境溫度所引起的差異主要發生于階段1工況；環境溫度-10～25 ℃條件下，階段1至階段3的PN平均濃度總體呈遞增趨勢；環境溫度-15 ℃和-20 ℃條件下，階段1至階段3的PN平均濃度均低于100 個/cm3。

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Cold Start Emission Characteristics of Heavy-Duty?Diesel Engine under WHTC Cycle

LIAO Qingrui1，WANG Fengbin1，2，CHE Jintao1，QIN Qingkong1

（1.China Automotive Technology and Research Center Co.，Ltd.，Tianjin300300，China;2.State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin300072，China）

Abstract： Based on a diesel engine that meets the China Ⅵb emission standard， WHTC cycle emission testing was conducted on an engine bench equipped with a low-temperature climatic chamber. Different simulated temperatures were set and the specific emission results of CO， HC， NOx， PN， and PM were compared. Then the relationships of ambient temperature， intercooled temperature and exhaust temperature with exhaust pollutants were analyzed， and the differences in CO， HC， NOx， and PN emission characteristics at different ambient temperatures during the three stages of WHTC cycle were also analyzed. The results showed that the specific emissions of NOx， CO， and HC gradually increased， while the overall specific emissions of PN decreased， and the specific emissions of PM first decreased and then increased with the decrease of ambient temperature. The NOx emissions under -10 ℃ and -15 ℃ in frozen urea state were 1.2 times and 3.3 times of those in unfrozen urea state. NOx emission control mainly relied on DOC and EGR at stage 1 and stage 2 and was more dependent on SCR under the high torque and load conditions of stage 3. The differences caused by ambient temperatures in the CO and HC specific emission results mainly occurred in stage 1. At -15 ℃ and -20 ℃ conditions， the average concentration of PN in stage 1 to stage 3 was below 100 unit/cm3.

Key? words： heavy-duty diesel engine；cold start；WHTC；emission measurement

［編輯： 潘麗麗］